軋制潤(rùn)滑對(duì)冷軋鍍錫基板表面微觀形貌的影響

陳 光 劉云峰 彭興東

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司 冷軋廠，江蘇 南京 210039；2.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

鍍錫板是兩面有鍍錫層的冷軋低碳鋼薄板，具有良好的成形性能和耐蝕性能，廣泛用于制罐、制盒和包裝材料。鍍錫板表面質(zhì)量控制是其生產(chǎn)過程的重點(diǎn)[1]。鍍錫板產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)是以薄代厚，薄規(guī)格鍍錫基板的穩(wěn)定軋制一直是行業(yè)的技術(shù)難題。冷軋鍍錫基板的生產(chǎn)具有變形量大、生產(chǎn)率高等特點(diǎn)，冷軋塑性變形區(qū)承受高壓、高溫并伴隨有鋼板與軋輥之間的摩擦磨損，工況十分惡劣[2- 3]。軋制潤(rùn)滑對(duì)冷軋鍍錫基板表面質(zhì)量、尺寸精度、板形、軋輥壽命和軋制穩(wěn)定性都有影響[4]。特別是高速軋制時(shí)，如果軋制潤(rùn)滑異常，極易引起軋機(jī)振動(dòng)、產(chǎn)生板面劃傷和條紋等缺陷[5- 9]。

梅鋼冷軋廠1 420 mm酸軋聯(lián)合機(jī)組是國(guó)內(nèi)第一條自主研發(fā)的鍍錫基板及薄規(guī)格冷軋板生產(chǎn)線，生產(chǎn)厚度為0.17～0.55 mm的鍍錫基板。本文針對(duì)冷軋鍍錫基板表面微觀形貌不均勻的問題，在原材料、設(shè)備和軋制工藝不變的條件下，研究了軋制潤(rùn)滑對(duì)冷軋鍍錫基板表面微觀形貌的影響，研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和鋼板表面質(zhì)量控制提供參考。

1 軋制油摩擦學(xué)特性

軋制油由基礎(chǔ)油和添加劑組成，其摩擦學(xué)特性主要與基礎(chǔ)油和添加劑有關(guān)?；A(chǔ)油是主要成分，約占80%～90%[10]。基礎(chǔ)油包括礦物油、動(dòng)植物油和合成油。添加劑是改善油品性能的有極性的化合物或聚合物，影響軋制油物理、化學(xué)性能。理化性能不僅是軋制油質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)志，也是選擇軋制油的主要依據(jù)之一，特別是軋制油的皂化值和運(yùn)動(dòng)黏度。皂化值反映軋制油潤(rùn)滑性能，通常皂化值越高，軋制油的潤(rùn)滑性能越好。運(yùn)動(dòng)黏度影響冷軋塑性變形區(qū)接觸弧表面的油膜厚度，也即影響軋制油的潤(rùn)滑性能。黏度指數(shù)是軋制油的黏度隨溫度變化的特性，黏度指數(shù)越大，表示軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度受溫度的影響越小。黏度指數(shù)多采用油的40和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度按GB 1995—80《石油產(chǎn)品粘度指數(shù)計(jì)算法》計(jì)算[10]。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軋制油試驗(yàn)時(shí)，首先在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)兩種軋制油(1號(hào)、2號(hào))的摩擦學(xué)特性。1號(hào)軋制油是改進(jìn)后的軋制油，2號(hào)軋制油是改進(jìn)前的。軋制油的改進(jìn)措施是減小油品40 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度和增加極壓劑的添加量。1號(hào)軋制油的極壓劑添加量為1.05%，2號(hào)軋制油的為0.70%。1號(hào)、2號(hào)軋制油的理化性能如表1所示。

由表1可知，1號(hào)軋制油的(40 ℃)運(yùn)動(dòng)黏度比2號(hào)軋制油的小4.3 mm2/s，但1號(hào)軋制油的黏度指數(shù)比2號(hào)軋制油大9;1號(hào)軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度變化小，熱穩(wěn)定性好。

表1 1號(hào)和2號(hào)軋制油的理化性能

1.1 油膜強(qiáng)度

油膜強(qiáng)度也稱為最大無卡咬負(fù)荷，是指在試驗(yàn)條件下不發(fā)生卡咬的最高負(fù)荷。卡咬是指油膜被破壞。油膜強(qiáng)度反映油膜的抗壓強(qiáng)度。

采用MS- 10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),參照GB/T 3142—2019《潤(rùn)滑劑承載能力的測(cè)定 四球法》的方法測(cè)試1號(hào)、2號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度。軋制油溫度為75、100、125、150、175、200和225 ℃，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在75～225 ℃，隨著溫度的升高，1號(hào)、2號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度降低。在175～225 ℃，1號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度顯著高于2號(hào)軋制油。因?yàn)?號(hào)軋制油的極壓劑添加量為1.05%，2號(hào)軋制油的極壓劑添加量為0.70%。在175～225 ℃，軋制油的極壓劑與摩擦副表面的反應(yīng)膜起主要作用，1號(hào)軋制油的極壓性能較好。在225 ℃，1號(hào)、2號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度分別為804和598 N，前者的高溫潤(rùn)滑性能較好。

圖1 兩種軋制油的油膜強(qiáng)度隨溫度的變化

1.2 平均摩擦因數(shù)

摩擦副表面的平均摩擦因數(shù)反映油膜剪切強(qiáng)度的大小和軋制油的減摩性能。采用SRV5高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：試驗(yàn)力為900 N，振幅為2 mm，頻率為50 Hz，時(shí)間為4 min，軋制油溫度為75、100、125、150、175、200和225 ℃，上摩擦副為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸承鋼鋼球，下摩擦副為靜止的軸承鋼鋼板。

運(yùn)行中的SRV5摩擦試驗(yàn)機(jī)如圖2所示，使用兩種軋制油時(shí)不同溫度下摩擦副表面的平均摩擦因數(shù)如圖3所示。

圖2 運(yùn)行中的SRV5摩擦試驗(yàn)機(jī)

圖3 使用兩種軋制油時(shí)不同溫度下摩擦副表面的平均摩擦因數(shù)

由圖3可知，在75～225 ℃，隨著溫度的升高，摩擦副表面的平均摩擦因數(shù)先減小再逐漸增大。因?yàn)檐堉朴陀苫A(chǔ)油和添加劑組成，添加劑有一個(gè)臨界吸附溫度，含有添加劑的軋制油在臨界溫度的平均摩擦因數(shù)會(huì)發(fā)生變化。在100～225 ℃，采用1號(hào)油的平均摩擦因數(shù)比采用2號(hào)油的小，1號(hào)軋制油的減摩性好。在225 ℃，1號(hào)、2號(hào)軋制油的平均摩擦因數(shù)分別為0.078、0.084，1號(hào)軋制油的高溫潤(rùn)滑性能較好。

2 軋制潤(rùn)滑對(duì)板面微觀形貌的影響

2.1 冷軋輥縫內(nèi)塑性變形區(qū)接觸弧表面摩擦狀態(tài)

冷軋輥縫隙內(nèi)的摩擦狀態(tài)如圖4所示。沿板面寬度的摩擦狀態(tài)區(qū)域分布如圖5所示。通常，冷軋輥縫內(nèi)塑性變形區(qū)接觸弧表面處于混合摩擦狀態(tài)，主要包括液體摩擦和邊界摩擦，如果邊界潤(rùn)滑膜破裂，也會(huì)產(chǎn)生干摩擦。

圖4 冷軋輥縫隙內(nèi)的摩擦狀態(tài)

圖5 鍍錫基板表面摩擦狀態(tài)

由圖4、圖5可知，對(duì)于液體摩擦，軋機(jī)工作輥與軋件表面完全被油膜隔離，粗糙的軋件表面沒有被軋機(jī)工作輥充分碾壓。但當(dāng)油膜壓力較大時(shí)，易在軋件表面形成油窩或橫向溝槽。對(duì)于邊界摩擦，冷軋塑性變形區(qū)接觸弧表面有一層極薄的邊界膜，既防止軋機(jī)工作輥與軋件表面之間的黏附，又使軋件表面被充分碾壓，使軋后板面較為光亮，并接近于軋輥表面粗糙度。冷軋輥縫內(nèi)塑性變形區(qū)接觸弧表面不同的摩擦狀態(tài)對(duì)應(yīng)的軋件表面形貌有較大的差異，在軋制過程中軋件表面形貌也不斷變化。根據(jù)軋件表面微觀形貌來判斷冷軋輥縫內(nèi)塑性變形區(qū)接觸弧表面的摩擦狀態(tài)較為直觀[11]。由軋機(jī)工作輥表面粗糙度和鍍錫基板表面粗糙度可以推斷，冷軋塑性變形區(qū)摩擦界面的摩擦狀態(tài)主要包括液體摩擦和邊界摩擦。

為了進(jìn)一步分析冷軋輥縫內(nèi)塑性變形區(qū)接觸弧表面的摩擦狀態(tài)，在原材料、設(shè)備和軋制工藝不變的條件下，采用1號(hào)軋制油進(jìn)行了冷軋?jiān)囼?yàn)。

為了檢驗(yàn)鋼板寬度方向微觀形貌的變化，從鋼板邊部(軋機(jī)傳動(dòng)側(cè))、1/4寬度處(軋機(jī)傳動(dòng)側(cè))、中部、1/4寬度處(軋機(jī)操作側(cè))、邊部(軋機(jī)操作側(cè))取樣，如圖6所示，并記錄鋼板上、下表面。以冷軋鍍錫基板中部為例，鍍錫基板上、下表面的微觀形貌如圖7所示。

圖6 從冷軋鍍錫基板取樣的圖解

圖7 鍍錫基板上(a)、下(b)表面的微觀形貌

由圖7可知，軋輥縫隙內(nèi)塑性變形區(qū)接觸弧沿板寬方向存在邊界摩擦狀態(tài)和液體摩擦狀態(tài)，影響軋后板面微觀形貌。

影響冷軋塑性變形區(qū)摩擦界面邊界潤(rùn)滑膜的因素如下[11]。(1)摩擦副表面特性：隨著摩擦副表面粗糙度的增大，摩擦副平均摩擦因數(shù)增大。(2)軋制壓力：隨著軋制壓力的升高，一方面軋制油的黏度增大，另一方面也可能使油膜破裂，從而影響軋制油的潤(rùn)滑性能。(3)軋制速率：隨著軋制速率的增大，摩擦界面溫度升高，軋制油黏度減小，油膜厚度減薄，軋制油潤(rùn)滑性變差。(4)溫度：軋制油中的添加劑主要是通過與金屬表面發(fā)生物理或化學(xué)吸附減摩降壓，由于添加劑有一個(gè)臨界吸附溫度，如果高于該臨界溫度，則含有添加劑的軋制油的平均摩擦因數(shù)將發(fā)生變化。

2.2 冷軋過程中板面微觀形貌演變

冷軋板表面微觀形貌是板面微觀幾何形狀的統(tǒng)稱，是軋輥表面微觀形貌經(jīng)過有潤(rùn)滑介質(zhì)的軋制塑性變形轉(zhuǎn)印到鋼板上的。鋼板表面微觀形貌取決于：(1)轉(zhuǎn)印模具的工作輥表面微觀形貌；(2)潤(rùn)滑軋制轉(zhuǎn)印過程；(3)鋼板原有的表面微觀形貌[12]。

現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑軋制試驗(yàn)時(shí)，主要控制乳化液的濃度、溫度和流量。1號(hào)乳化液槽的濃度為 (2.2±0.2)%,3號(hào)乳化液槽的濃度為(4.3±0.2)%,乳化液溫度為56～60 ℃。乳化液流量：1號(hào)～4號(hào)機(jī)架均為5 472 L/min，5號(hào)機(jī)架為6 637 L/min。

鍍錫基板的化學(xué)成分如表2所示。酸洗后軋制前板坯的微觀形貌如圖8所示。

表2 鍍錫基板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由圖8可知，酸洗后板坯表面粗糙且有大量微裂紋。第一道次軋制時(shí)，有微裂紋的板坯表面會(huì)夾帶軋制油，使冷軋塑性變形區(qū)接觸弧表面的油膜厚度分布、摩擦狀態(tài)發(fā)生變化，影響板面微觀形貌，具有遺傳性。冷軋輥縫潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖9所示。

圖8 酸洗后軋制前板坯的微觀形貌

由圖9可知，軋制過程是軋機(jī)工作輥施加軋制壓力于鍍錫基板而使之發(fā)生塑性變形的過程，工作輥與鍍錫基板表面相互接觸是傳遞軋制壓力和產(chǎn)生摩擦的必要條件。軋機(jī)工作輥、鍍錫基板的表面微觀形貌由大小不同、形狀不規(guī)則的凸峰和凹谷組成。接觸表面微觀形貌決定了不同的接觸方式和摩擦狀態(tài)。實(shí)際接觸點(diǎn)是接觸面的微凸峰，軋機(jī)工作輥與鍍錫基板之間存在軋制油。顯然，微凸峰與微凸峰的接觸面、微凹谷與微凹谷的接觸面和微凸峰與微凹谷的接觸面的油膜厚度明顯不同，微觀摩擦狀態(tài)也不同。微凸峰與微凸峰接觸面之間處于邊界摩擦狀態(tài)，微凹谷與微凹谷接觸面之間為液體摩擦狀態(tài)，如圖4所示。

圖9 冷軋輥縫潤(rùn)滑系統(tǒng)

冷軋后板面劃傷和條紋的微觀形貌如圖10所示。

圖10 冷軋板表面的劃傷(a)和條紋(b)

由圖10(a)可知，板面劃傷區(qū)域的擦痕方向與軋制方向平行，且劃傷區(qū)域的擦痕比未劃傷區(qū)域的擦痕寬。這是因?yàn)槔滠埶苄宰冃螀^(qū)摩擦界面的摩擦狀態(tài)包括液體摩擦和邊界摩擦，邊界潤(rùn)滑膜破裂時(shí)也可能產(chǎn)生干摩擦。板面劃傷是冷軋板變形區(qū)接觸弧表面局部軋制油油膜破裂，較硬的軋輥表面微凸峰在鋼板表面犁削而產(chǎn)生的擦痕。

由圖10(b)可知，板面條紋區(qū)域的擦痕與軋制方向平行，且擦痕兩側(cè)布滿微裂紋，條紋區(qū)域板面較粗糙。冷軋鍍錫基板表面條紋主要是在潤(rùn)滑軋制轉(zhuǎn)印過程中形成的，是冷軋板塑性變形區(qū)接觸弧表面沿板寬方向摩擦不均勻造成的。

冷軋過程中，第1～5機(jī)架軋機(jī)工作輥表面與鍍錫基板表面的微凸峰和微凹坑無規(guī)則地相互插入，只有極少孤立的微凸峰直接接觸，在軋制壓力下與接觸表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，這些相互嵌入的部分發(fā)生彈- 塑性變形或切斷，工作輥表面的粗糙微凸峰將在鍍錫基板表面沿軋制方向留下寬窄、深淺不均勻的微擦痕；在垂直于微擦痕方向的區(qū)域，因微凹坑油池傳遞壓力，使微裂紋擴(kuò)展，鋼板表面形成平行和垂直于軋制方向的擦痕。

3 潤(rùn)滑軋制生產(chǎn)穩(wěn)定性

3.1 改進(jìn)前后軋制油的潤(rùn)滑效果

MR T- 4鋼板(厚0.181 mm、寬965 mm)的實(shí)際軋制力如表3所示，軋制油改進(jìn)后各機(jī)架實(shí)際軋制力明顯降低。第1～5架軋機(jī)軋制力降幅分別為6.40%、6.63%、7.74%、5.07%、5.98%。MR T- 5鋼板(厚0.171 mm，寬952 mm)的實(shí)際軋制力如表4所示，軋制油改進(jìn)后各機(jī)架實(shí)際軋制力明顯降低。第1～5架軋機(jī)軋制力降幅分別為7.23%、8.80%、6.32%、3.65%、8.65%。說明軋制油改進(jìn)后，提高了冷軋輥縫隙內(nèi)的潤(rùn)滑效果，塑性變形區(qū)接觸弧表面摩擦因數(shù)明顯減小，軋制力明顯降低。同時(shí)也解決了軋機(jī)震動(dòng)問題，進(jìn)一步提高了軋制生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

表3 軋制油改進(jìn)前后MR T- 4鋼板的實(shí)際軋制力

表4 軋制油改進(jìn)前后MR T- 5鋼板的實(shí)際軋制力

3.2 軋制油改進(jìn)前后板面劃傷、條紋發(fā)生率

MR T- 4鋼板表面劃傷發(fā)生率如表5所示，MR T- 5鋼板表面條紋發(fā)生率如表6所示。由表5和表6可知，軋制油改進(jìn)后，冷軋時(shí)的潤(rùn)滑效果明顯改善，提高了軋后鋼板表面微觀形貌的均勻性。MR T- 4鋼板表面劃傷的平均月發(fā)生率降低了4.44%，MR T- 5鋼板表面條紋缺陷的平均月發(fā)生率降低了11%。因板面產(chǎn)生劃傷和條紋導(dǎo)致的軋機(jī)年平均異常換輥率也從10%降至3.92%，提高了生產(chǎn)率。

表5 MR T- 4鋼板表面劃傷發(fā)生率

表6 MR T- 5鋼板表面條紋發(fā)生率

4 結(jié)論

(1)1號(hào)軋制油的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為46.5 mm2/s，黏度指數(shù)為169，225 ℃油膜強(qiáng)度為804 N，225 ℃平均摩擦因數(shù)為0.078，高溫潤(rùn)滑性較好，邊界潤(rùn)滑膜較穩(wěn)定，有效提高了軋后板面微觀形貌的均勻性。

(2)1號(hào)乳化液槽的濃度為(2.2±0.2)%，3號(hào)乳化液槽的濃度為(4.3±0.2)%；乳化液溫度為56～60 ℃，乳化液潤(rùn)滑效果良好。

(3)冷軋鍍錫基板表面條紋主要是在潤(rùn)滑軋制轉(zhuǎn)印過程中，在冷軋塑性變形區(qū)接觸弧表面沿板寬方向摩擦不均勻造成的。

(4)其他條件不變，將軋制油40 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度從50.8 mm2/s降低至46.5 mm2/s，軋制油225 ℃的油膜強(qiáng)度從598 N提高至804 N，可改善冷軋鍍錫基板生產(chǎn)的穩(wěn)定性，MR T- 4鋼板表面劃傷的平均月發(fā)生率降低了4.44%，MR T- 5鋼板表面條紋缺陷的平均月發(fā)生率降低了11%。